وقوع خرابی در آپولو 13: چرا مخزن اکیسژن آپولو 13 منفجر شد؟

مطالعه موردی – آپولو 13

پیمانکار فرعی ناسا در 14 مارچ 1968 میلادی یک مخزن اکسیژن را که شامل یک ترموستات طراحی شده با ولتاژ 28 ولت بود را به کارخانه مونتاژ کالیفرنیا فرستاد تا بر روی یک فضا‌پیما، به عنوان یکی از عناصر ماموریت پیش رو نصب شود. بعدا تاثیر این نقص، با روش اجرایی آزمون زمینی تشدید شد که به طور ناخواسته مخزن بیش از حد گرم شد و عایق محافظتی سیم‌کشی داخلی آن از بین رفت. در 12 اوریل 1970 میلادی در 57 ساعت و 54 دقیقه و 53 ثانیه مانده به ماموریت، 200 هزار مایل دور از زمین، هنگامی که فضانورد جک اِسویگرت Jack Swigert به یک درخواست عادی روزانه از زمین پاسخ می‌داد، اقدام به روشن نمودن فن برودتی کرد که در نتیجه، باعث ایجاد یک جرقه درون مواد عایق مشتعل گردید و فشار روی آن نقطه سبب منفجر شدن مخزن شد. اکسیژن داخل مخزن سریع به گاز تبدیل شد و خیلی سریع چهار تا از مخزن‌های سوخت و ماوژل خدماتی، پر از گاز شدند. پنل خارجی فضا‌پیما پس از آنکه به بیرون پرتاب شد با آنتن مدار‌گرد برخورد نمود و سبب خرابی آن و نیز از دست رفتن اکسیژن برای تنفس و قطع برق در فرمان مخزن سوخت و خدماتی شد. فقط چند ساعت قبل از انهدام، هر سه خدمه مجبور شدند تا فضا‌پیما را ترک کرده و برای 80 ساعت در اتاقک جدا شده از سفینه باقی بمانند.

سیستم برقی فضا‌پیما آپولو برای عملیات برای 28 ولت طراحی شده بود. هنگامی که شرکت نورث امریکن برای اولین بار قرارداد ساخت مخزن را به شرکت هواپیمایی بیچ Beech Aircraft اعطا کرد، به آنها گفته شد که کلیدهای ترموستات، باید به مانند سایر کلیدها و سیستم‌ها، با شبکه برق 28 ولتی فضاپیما سازگار باشند. در طول هفته‌ها و ماه‌ها قبل از راه‌اندازی، سفینه بیشتر زمانش را از طریق اتصال به ژنراتورهای سکوی پرتاب در “کاناورال کپ Cape Canaveral” گذراند، تا اجرای چک‌های پیش از پرواز تجهیزات امکان‌پذیر باشد. ژنراتور‌ها از دینام‌هایی با شارژ جریان 65 ولت استفاده می‌کردند. با علم به این موضوع، نورث امریکن نگران بود که آن ولتاژ زیاد ممکن است سیستم حرارتی در مخزن‌های برودتی را حتی قبل از آن که فضا‌پیما سکوی پرتاب را ترک نماید، خراب کند و لذا تصمیم گرفتند تا مشخصات را تغییر دهند. به پیمانکار فرعی پروژه اطلاع داده شد که بایستی برنامه‌های حرارتی اصلی را تغییر دهد و سیستم گرمایشی را به طور کامل جایگزین نماید. بی‌تردید، مهندسان از تغییر دادن مشخصات کلیدهای ترموستات دچار غفلت شدند و کلیدهای 28 ولتی اصلی را روی گرمکن‌های 65 ولتی قرار دادند. علی‌رغم کنترل دقیق به وسیله تکنسین‌های نورث امریکن و ناسا، این اشکال یافت نشد.

مخازنی که بیرون آپولو‌ 13 نصب می‌شدند به کارخانه نورث امریکن در کالیفرنیا فرستاده شدند و در آنجا به یک قاب فلزی متصل شده و بر روی اتاقک 106 قرار داده شد که برای پرواز در طول ماموریت آپولو 10 در سال 1969 میلادی برنامه‌ریزی شده بودند. با بهبودهای فنی تکمیلی در طراحی مخازن اکسیژن، مهندسان تصمیم گرفتند تا مخازن موجود را از آپولو 10 و ماژول خدماتی حذف نمایند و آنها را با مخازن جدید جایگزین کنند. مخازنی که بر روی سفینه نصب شده بودند ارتقا یافته و در ماژول خدماتی دیگری قرار ‌گرفتند تا در پرواز دیگری استفاده شوند. حذف مخازن برودتی از فضا‌پیمای آپولو کاری ظریف و حساسی بود. چون طی کار تقریبا غیرممکن بود که هر یک از مخازن از لوله و کابل‌های در هم پیچیده جدا شوند، لذا برای فرار از این موضوع، قفسه کامل همراه با تمامی سخت‌افزارهای مرتبط با آن برداشته شدند. به منظور انجام این موضوع تکنسین‌ها یک رشته تا لبه قفسه وصل کردند، چهار عدد پیچ و مهره را برداشته و قطعات مونتاژ شده را بیرون کشیدند. در 21 اکتبر 1968 میلادی مهندسان “راکول Rockwell ” قفسه مخزن فضا‌پیما را باز و شروع به بیرون کشیدن با دقت آن از سفینه کردند. بدون این که متصدیان جرثقیل‌ها متوجه شوند، یکی از چهار پیچ و مهره در آن، جا ماند. وقتی که موتور جرثقیل فعال شد، قفسه دو اینچ بالا آمد و قبل از این که پیچ گیر کند، جرثقیل لیز خورد و قفسه دوباره در جای قبلی‌ خود افتاد. این مسئله شاید به نظر کوچک می‌آمد اما نتیجه و پیامدی که داشت بسیار بزرگ بود. مهم نیست که هرگونه تصادفی روی زمین و در کارخانه چقدر کوچک باشد و لازم است تا اجزاء فضا‌پیما به منظور تضمین آن که هیچگونه آسیبی ندیده است، بازرسی شوند. این مخازن که بر روی قفسه سقوط کرده، مورد بررسی قرار گرفتند و معلوم شد که آسیب ندیده‌اند. بلافاصله، آنها برداشته شده، ارتقا یافتند و مجددا در مخزن سوخت و ماژول خدماتی – در بخشی از فضا‌پیما که آپولو نام گرفت – نصب شدند.

در اوایل 1970 میلادی، پنج تقویت کننده Booster برای آپولو 13 تعبیه شدند تا بتواند برای ترک سکو در آوریل آماده شود. یکی از مهم‌ترین نقاط عطف در هفته‌های منتهی به پرتاب آپولو آزمایشی بود که به عنوان آزمون شمارش معکوس نامیده می‌شد. در طول آزمون اثبات عملی بودن آپولو 13 مشکلات معناداری رخ نداد. هر چند در پایان این آزمایشات و آزمون‌های مکرر، خدمه زمینی یک اشکال کوچک خلاف قاعده‌ای را بیان کردند. سیستم برودتی که از مایعات بسیار سرد خالی شده بود، قبل از آن که فضا‌پیما خاموش شود، سنگین کار می‌کرد. تخلیه مخازن برودتی معمولا پیچیده نبودند و نیازمند آن بود تا مهندسان به طور ساده اکسیژن مایع را از یک خط به داخل مخازن وارد و از خطی دیگر مایعات را خارج کنند. هر دو مخزن هیدروژن همانند مخزن اکسیژن به سادگی تخلیه می‌شدند. ولی به نظر می رسید که مخزن شماره دو اکسیژن بسته شده و تنها حدود 8 درصد از مایع بسیار سردش خالی شده و بقیه آن خالی نشده است.

با بررسی شماتیک مخزن و تاریخ تولید آن، مهندسان هواپیمایی “بیچ” و “کپ” بر این باور بودند که مشکل را می‌دانند. زمانی که قفسه هیجده ماه قبل افتاده بود، آنها به اینکه مخزن بیشتر از آنچه که در آن زمان گفته شده بود، آسیب دیده باشد و یکی از لوله‌های تخلیه در گردنه فضا‌پیما در خارج از مسیر‌ش افتاده باشد، ظنین بودند. این موضوع ممکن بود به دلیل عدم خارج شدن تمام مایع از مخزن بوده باشد. روش تزریق مجدد De-tanking method می‌تواند فقط در طول آزمون‌های سکو انجام گیرد. در طول پرواز، اکسیژن مایع در فضا‌پیما ممکن است از طریق لوله تخلیه خارج نشود ولی از طریق یک مجموعه لوله‌ها که به سلول‌های سوخت یا سیستم جوی راه دارد که اتاقک خلبان را با هوای قابل تنفس تنظیم می‌کند، خارج می‌گردد. اگر مهندسان می‌توانستند برخی راه‌های جدید را به منظور تخلیه مخزن کشف کنند، آنگاه می‌توانستند آن مخازن را در روز راه‌اندازی دوباره پر کنند و هرگز نگران خطوط تخلیه یا پر کردن نباشند. تکنسین‌ها یک روش بسیار ساده و هوشمندانه را ارائه کردند. در دمای بسیار سرد و فشار کم، مایع در مخزن جایی نمی‌رود. بهرحال اگر از گرمکن‌ها Heaters استفاده می‌‌شد، چه اتفاقی می‌افتاد؟ چرا نباید فقط سیم‌پیچ‌های گرم‌کننده Warming coils را راه انداخت، مایع‌ها را گرم کرد و تمام حجم اکسیژن را از طریق خط تخلیه خارج شود؟

راه جایگزین می‌تواند برداشتن مخزن و جایگزینی آن با یک مخزن جدید باشد. با این حال، راه حل دوم به چهل و پنج ساعت زمان برای جایگزینی و به علاوه زمان مورد نیاز برای آزمایش و وارسی آن نیاز داشت. این امر سبب از دست رفتن پنجره پرتاب می‌شود و کل ماموریت را برای حداقل یک ماه به تعویق می‌افتد.

متاسفانه هیچکدام از خدمه سکو‌های آزمایش پرتاب نمی‌دانستند که ترموستات اشتباهی در مخزن است. بنابراین نتوانستند پیامد نصب گرمکن‌های را برای مدت طولانی تحلیل کنند.

تکنسین‌ها طرح خود را در عصر 27 مارس ادامه دادند و سیم‌پیچ‌های گرمکن در مخزن دوم اکسیژن فضا‌پیما روشن شدند. با توجه به این که حجم زیادی از اکسیژن در مخزن گیر کرده بود، مهندسان پیش بینی کردند حدود 8 ساعت نیاز است تا گازها تخلیه شوند. در طول این زمان دمای درون مخزن به حدود 80 درجه افزایش یافت ولی مهندسان می‌دانستند می‌توانند به ترموستات برای مراقبت از هر خطری اعتماد کنند. با این حال، هنگامی که این ترموستات به دمای بحرانی رسید و سعی کرد باز شود، ولتاژ 65 ولتی دو سر آن، فورا فیوز به طور خودکار قطع کرد. هر چند تکنسین‌ها روی سکوی پرتاب نمی‌دانستند که قطعه کوچکی که قرار است تا از مخزن اکسیژن محافظت کند، با جوش خوردن، بسته شده است. به یک مهندس ماموریت داده شد تا دوباره روش تخلیه مخزن را بررسی کند، ولی همه ابزارهای اندازه‌گیری به او درباره گرمکن برودتی می‌گفتند، که کنتاکت‌های ترموستات بسته می‌مانند، بنابراین مخزن هنوز بسیار گرم نشده است. در این حالت تنها وسیله‌ای که می‌توانست برای درست کار نکردن سیستم به طور مناسب به کار گرفته شود یک نشانگر روی صفحه اندازه‌گیری سکوی پرتاب بود که دمای درون مخزن‌های اکسیژن را پایش می‌کرد. اگر دما بالاتر از 80 درجه می‌شد تکنسین‌ها می‌فهمیدند که ترموستات از کار افتاده و گرمکن را به صورت دستی خاموش می‌کردند.

متاسفانه خوانش روی صفحه اندازه‌گیری قادر به ثبت دمای بالای 80 درجه نبود. با توجه به شانس بسیار کمی که دمای درون مخزن بیشتر شده و به بالاتر از 80 درجه برسد که حداکثر دمای خطرناک است، تیم طراحی که این صفحه را طراحی کرده دلیلی برای گذاردن دمای بالاتر از 80 درجه ندیده و این دما را بالاترین حد خطر آورده است. آن چه مهندسان در آن شب نمی‌دانستند این بود که با قطع فیوز ترموستات، دمای درون این مخزن افزایش یافته و به بیش از 1000 درجه می‌رسید. در تمام مدت زمانی که گرمکن کارش تمام می‌شد دمای ایمن 80 درجه را ثبت می‌کرد. همانطور که انتظار می‌رفت در پایان 8 ساعت، آخرین عایق تفلون که از سیم‌کشی داخلی مخزن اکسیژن مایع محافظت می‌کرد، به دلیل گرمای بیش از حد، پخته شده بود. در این مخزن که اکنون خالی شده بود، شبکه‌ای از مس لخت و مستعد جرقه وجود داشت که به زودی دوباره در یک مایع غوطه‌ور می‌شد که احتمال انتشار آتش بیشتر از هر مایع دیگری وجود داشت: اکسیژن خالص!

هفده روز بعد و نزدیک 200000 مایل دور از زمین، جک اِسویگرت در حال پاسخ دادن به یک درخواست عادی روزانه از زمین، فن برودتی را به منظور هم زدن محتویات اکسیژن مخازن روشن کرد. اِسویگرت در ابتدا دو مرتبه با این وسیله کار کرد و فن هم به طور طبیعی کار خود را انجام داد. دفعه بعد، یک جرقه از سیم لخت حادث شد و باقیمانده تفلون آتش گرفت. گرما ناگهانی افزایش یافت و فشار در محیط اکسیژن خالص از گردنه مخزن بخش ضعیف‌تر سفینه خارج شد. 300 پوند از اکسیژن درون مخزن به گاز تبدیل شد و چهار عدد از مخزن‌های سوخت و خدمت را پر کرد. صفحه خارجی فضا‌پیما به بیرون پرت شد که پس از برخورد با آنتن مدار‌گرد منفجر شد و سبب متحیّر و مبهوت شدن خدمه گردید.

گرچه مخزن اول به طور مستقیم به وسیله انفجار آسیب ندید با این حال انفجار مخزن شماره دو مقداری آسیب را به مخزن اولی وارد نمود. چون انفجار، این لوله‌های ضعیف را پاره کرد، مخزن آسیب ندیده یک راه نشتی از طریق خطوط پیدا کرد و محتویاتش را به فضا فرستاد. اوضاع زمانی بدتر شد که انفجار، سفینه را تکان داد و سبب شد دریچه‌ها که چندین پیشرانه کنترل وضعیت را تغذیه می‌کردند، محکم بسته شوند و باعث از کار‌ افتادن جت‌ها شدند. همان طور که سفینه از تخلیه مخزن و انفجار تکان می‌خورد، خلبان خودکار Autopilot به منظور تثبیت[و پایدار‌سازی ] وضعیت فضا‌پیما، شروع به روشن کردن پیشرانه‌ها نمود. ولی با کار کردن تعدادی از جت‌ها، سفینه کنترل سیستم نیمه فلج را به دست گرفت و شانس او بهتر شد. اما در نهایت فضا‌پیما ظرف دو ساعت از مسیر منحرف شد و از بین رفت.